Второе поколение Nexperia 650 В GaN

Названные «H2», детали соответствуют требованиям AEC-Q101 для применения в автомобильной промышленности, а матрица второго поколения также доступна в TO-247 для промышленного использования.

«Клиентам необходимо решение для преобразования мощности на 650 В и около 30-40 мОм Rds (вкл.), Где приложения включают встроенные зарядные устройства, преобразователи постоянного тока и тяговые инверторы в электромобилях», — сказал директор по маркетингу Nexperia Дилдер Чоудхури, добавив, что Еще одна значительная потребность — в стоечных телекоммуникациях класса 1,5 — 5 кВт ’80 Plus Titanium ‘, 5G и блоках ЦОД.

У компании уже есть GaN-транзистор на 50 мОм (транзистор с высокой подвижностью электронов), построенный на его процессе H1, и она разрабатывает версию с сопротивлением 35 мОм, сказал Чоудхури Electronics Weekly. Однако для уменьшения сопротивления требовалась большая матрица, что делало ее дорогой — что еще хуже, поскольку технология H1 имеет плавающую подложку, для которой требуется сложная упаковка, включающая внутреннюю изолирующую прокладку для изоляции задней части матрицы GaN.

Переход на технологию Н2, которая имеет сквозные переходные отверстия, позволил получить матрицу диаметром 35 мОм на 24% меньше и избавился от необходимости прокладки.

Есть три 650V H2 части ( таблица справа )

Rds (включено) составляет 35 мОм (обычно при 25 ° C, макс. 41 мОм) в традиционной упаковке TO-247.

Это уменьшается до 33 мОм (обычно при 25 ° C, макс. 39 мОм) с двумя версиями CCPAK для поверхностного монтажа — одна оптимизирована для верхнего охлаждения, а другая для нижнего охлаждения (T и B в названиях продуктов).

Сейчас отбираются образцы TO-247 и SMD с нижним охлаждением, а последует версия с верхним охлаждением. Номинальные значения 25 ° C — 47,2 А и 187 Вт для TO-247 и предварительные 60 А и 300 Вт для SMD с нижним охлаждением.

CC в названии упаковки означает «медный зажим» — замена соединительных проводов профилированными медными полосами.

По словам Чоудхури, индуктивность в упаковке с медным зажимом составляет менее 2 нГн. «Нет смысла иметь фантастический полупроводник с плохой упаковкой», — сказал он.

Тепловое сопротивление составляет <0,5 К / Вт для типов поверхностного монтажа, по сравнению с 0,8 К / Вт для TO-247. TO-247 рассчитан на использование при температуре 150 ° C на стыке, в то время как версии CCPAK будут работать при температуре до 175 ° C.

Будучи «крылом чайки» (фото вверху), CCPAK позволяет гибко снижать нагрузку от термоциклирования и облегчает автоматический оптический контроль — два фактора, которые ставят его выше пакетов QFN для автомобильного использования, говорит Чоудхури.

Для обеспечения нормальной работы транзисторы GaN Nexperia фактически представляют собой комбинацию из двух транзисторов в одном корпусе.

Внутри матрицы сложены маленькие кремниевые мосфеты сверху источника хемта. Медные зажимы переносят утечку хемта и источник мосфета во внешний мир.

Соединение Cascode ( справа ), используемое другими компаниями, включая Transphorm для GaN и UnitedSiC для транзисторов с карбидом кремния, соединяет нормально включенный (в режиме обеднения) GaN Hemt или SiC jfet с низковольтным нормально отключенным (режим улучшения) ) кремниевый мосфет. Mosfet переключает исходный терминал hemt или jfet на соединение с источником пакета.

Есть плюсы и минусы для устройств с режимом обеднения с кодовым кодом, а также плюсы и минусы для высоковольтных транзисторов GaN или SiC в режиме с одним транзистором. У всех производителей есть свои аргументы в пользу выбора технологии, которую они продают.

Чоудхури, со своей стороны, указывает на доброкачественные характеристики затвора пары, соединенной каскадом, — это просто кремниевые затворы мосфета, которыми люди управляют уже два десятилетия.

«Мы устанавливаем пороговое значение затвора равным 4 В, поэтому вам не нужно беспокоиться о сквозном прохождении или отскоке затвора», — сказал он, заявив: «GaN-транзистор с улучшенным режимом имеет порог около вольт» — и поэтому уязвим для Включение dV / dt через действие Миллера, является следствием.

Критика совместно упакованных транзисторов, соединенных каскадом, заключается в том, что нет доступа к воротам hemt, поэтому нет способа контролировать произвольно быстрое включение.

Nexperia входит в число компаний, которые получают контроль над этим, проектируя высоковольтный транзистор с обедненным режимом и кремниевый полевой транзистор в виде динамически согласованной пары, и Чоудхури утверждает, что их согласование еще лучше, потому что Nexperia делает свои GaN-транзисторы собственными силами, по сравнению с fabless компаниями, которые должны использовать литейный завод. Затем, «так как низковольтный кремний находится под нашим контролем, мы можем спроектировать все, чтобы соответствовать нашим требованиям», — сказал он.

В результате, по словам Н2, «если вы хотите снизить скорость нарастания, разработчик может контролировать скорость устройства с помощью резистора затвора или пониженного напряжения привода: отключение составляет 119 В / нс при 3 Ом — 20 В / нс». с 120Ω; Подайте 0-8 В на затвор для медленного переключения, или 0-10 В, или 0-12 В ».

Подол GaN подвергается критике за то, что он не обладает способностью безопасной лавины, которая позволяет кремниевому мосфету выдерживать случайные всплески напряжения сверхспекуляций — всплески, которые никогда не должны возникать в хорошо спроектированной цепи, но также не должны приводить к мгновенному разрушению, если по какой-то странной причине один происходит.

Ответ для производителей GaN-транзисторов, чьи транзисторы будут повреждены, если они будут вынуждены лавинно, заключается во встроенном допуске напряжения выше номинального номинального напряжения.

В H2 полевая пластина, которая покрывает сток и исток, «спроектирована таким образом, чтобы выдерживать пробой выше 650В. Это очень хорошо спроектированная полевая пластина », — сказал Чоудхури, предоставив своему GaN-транзистору« возможность переходного напряжения 800 В в течение до 1 мкс при каждом цикле переключения — пики обычно составляют 5 нс ». Если всплеск поднимется выше этого значения, до 1 кВ, то утечка устройства H2 на мгновение возрастет, а затем вернется к своему базовому значению, добавил он.

В то время как GaN-транзистор изготовлен на заводе в Nexperia с использованием купленных в GaN-на-кремниевых пластин, более простой кремниевый Mosfet производится на литейном заводе.

Что-нибудь происходит с GaN-на-сапфире?

Еще нет, сказал Чодхури: «GaN-на-сапфире сложно, потому что он прозрачный, а подложка имеет низкую теплопроводность. Это перспектива для устройств на 1200 В ».

Одно из преимуществ подколонников GaN по сравнению с кремниевыми полушариями состоит в том, что у подоликов отсутствует собственный диод-исток, который должен включать полушария. Этот диод имеет заряд с обратным восстановлением (Qrr) — позволяя mosfet кратковременно проводить «назад» при переключении. У хемтов этот диод отсутствует, поэтому они могут быстро переключаться без всплеска тока обратного восстановления.

Тем не менее, соединение Cascode повторно вводит кремниевый Mosfet в схему.

«Qrr зависит от напряжения», сказал Чоудхури. «Кремниевое устройство на 30 В имеет менее одной десятой Qrr: около 170 ° C по сравнению с 3000 ° C для кремниевого Mosfet на 650 В».

Отсутствие заряда с обратным восстановлением или снижение заряда с обратным восстановлением является одной из причин того, что GaN можно использовать в быстрых преобразователях с жестким переключением, в ситуациях, когда высоковольтным кремниевым кристаллам может потребоваться более сложная квазирезонансная топология.

Например, Nexperia предлагает жестко переключаемые двунаправленные полнодиапазонные преобразователи с полным фазовым сдвигом GaN для бортовых зарядных устройств электромобилей. С помощью двунаправленного зарядного устройства избыточный заряд может быть перенесен обратно в дом или в сеть («транспортное средство в сеть») без дополнительного оборудования.

Чоудхури утверждает, что кремниевые силовые транзисторы первоначально будут использоваться в автомобильных зарядных устройствах, вспомогательных преобразователях (400 В — 48 В или 12 В) и приводах тяговых двигателей, но будут вытеснены меньшими, более эффективными устройствами GaN с жестким переключением и, возможно, SiC, с более низкой системой. расходы.

Он не думает, что кремний когда-либо будет конкурировать по размеру: «GaN — это низкие потери на переключение. Вы можете перейти на более высокую частоту — от 300 кГц до 500 кГц против 66 кГц для кремния. Даже если преобразователь является резонансным, вам придется использовать чередование, чтобы получить одинаковую эффективность с кремнием — вы можете вдвое уменьшить количество компонентов с GaN ». И если конвертер резонансный, «вы теряете двунаправленный — вам нужно добавить еще один конвертер».